操作系统第5章

CPU与I/O的速度差别大，所以尽量使两者交 叠运行，减少由于速度差异造成的整体性能 开销。
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设备管理的目标
1、提高使用效率（并行性）：就是提 高CPU与外设、外设与外设之间的并行工 作的能力。中断和通道技术的引入提供 了这种并行性。
2、方便性：是使用户能独立于具体设 备的复杂物理特性而方便的使用设备。 也就是说避开各种物理设备的具体使用 细节，呈现在用户面前的是简单、易操 作的逻辑设备。
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五、总线系统
1．ISA和EISA总线
1)ISA(Industry Standard Architecture) 总 线 这是为在 1984 年推出的 80286 型微机而设 计的总线结构。其总线的带宽为 8 位，最高传 输速率为2 Mb/s。 2) EISA(Extended ISA)总线 其带宽为32位，总线的传输速率达32 Mb/s，可以连接12台外部设备。
信号
数据
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三、设备控制器
控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设 备和计算机之间的数据交换。它是CPU 和I/O设备之间的接口，它接收从CPU 发来的 命令，并去控制I/O设备工作， 以使CPU从繁杂的设备控制事务中解脱 出来。 分类：控制字符设备的控制器
控制块设备的控制器
常在微型机和小型机中做成印刷电路卡 的形式，也称为接口卡。
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二、设备与控制器之间的接口
通常，设备并不 是直接与CPU进 行通信，而是与 设备控制器通信， 因此，在I/O设 备中应含有与设 备控制器间的接 口，在该接口中 有三种类型的信 号(见右图)，各 对应一条信号线。
I/O设备
至设备 控制器 状态信号线 控制逻辑 控制信号线 数据信号线 缓冲 转换器
I/O设备
图5-5
多通路I/O系统
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四、I/O通道
通道的工作方式
由于通道作为I/O处理机具有自己的 指令系统，为了与CPU的指令区别开来， 通道指令称为通道命令。 一条通道命令称为一个通道命令字 CCW(Channel Command Word)。而用通 道命令编写的程序称为通道程序。
I/O操作由两种指令实现控制：CPU的I/O 指令和通道的CCW。
地址线 I/O 逻辑
控制线
控制器 与设备 接口 i
数据 状态 控制
…
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四、I/O通道
为何要 引入通 道？ 其主要目的是为了建立独立的I/O操作，不仅使 数据的传送能独立于CPU，而且也希望有关对 I/O操作的组织、 管理及其结束处理尽量独立， 以保证CPU有更多的时间去进行数据处理；或者 说，其目的是使一些原来由CPU处理的I/O任务 转由通道来承担，从而把CPU从繁杂的I/O任务 中解脱出来。在设置了通道后，CPU只需向通道 发送一条I/O指令。通道在收到该指令后，便从 内存中取出本次要执行的通道程序，然后执行 该通道程序，仅当通道完成了规定的I/O任务后， 才向CPU发中断信号。
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五、总线系统
2．局部总线(Local Bus)
所谓局部总线，是指将多媒体卡、高
速LAN网卡、高性能图形板等，从ISA总
线上卸下来，再通过局部总线控制器直接 接到CPU总线上，使之与高速CPU总线相 匹配，而打印机、FAX/Modem、CDROM 等仍挂在ISA总线上。在局部总线中较有影 响的是VESA总线和PCI总线。
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五、总线系统
总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送 信息的公共通信干线，主机的各个部件通过 总线相连接，外部设备通过相应的接口电路 再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系 统。 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总 线可以划分为数据总线、地址总线和控制总 线，分别用来传输数据、数据地址和控制信 号。 微型计算机是以总线结构来连接各个功 能部件的。
中央处理器 系统总线 内存储器
存储器
适配器 I/O端口
输入设备
适配器 I/O端口
输出设备
适配器 外存储器接口
外存储器
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对于设备我们所关心的问题
内存允许多用户作业存在，它们的运行 势必涉及到I/O设备。 1、对于设备本身：如何有效利用
2、对于设备和CPU：如何发挥并行工作
3、对于设备和用户：如何方便实用
四、I/O通道
通道类型
2）数组选择通道
它连接磁带、磁盘等快速设备，以块 为单位与外设进行数据交换。但在同一 时间内，它只能为一台设备服务，直到 I/O请求完成，再选择与通道相连的另 一台设备。
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成组通道示意图
选择通道
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四、I/O通道
通道类型
3）数组多路通道
它是字节和选择通道技术的综合，通 道所连接的几个设备可并行工作。先选 择一台传送一批数据，再选择另一台， 即几台设备的通道程序都在执行中。 它相当于多道程序设计技术在通道中 的应用。
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四、I/O通道
通道又称I/O处理机。它也是完成内 存与外设之间的直接的数据交换。采用 通道技术后，不仅能实现CPU与通道之间 的并行操作，而且通道与通道之间、各 通道上连接的外设之间都能实现并行操 作。
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四、I/O通道
通道的工 作特点：
• 通道有自己的通道指令，并设有通道控 制器和自己的指令执行机构。只要CPU发 出通道启动指令，指出通道相应的操作 和I/O设备，该指令就可启动通道并使通 道从内存调出相应的通道指令执行。
（3）PCI-E总线
高速串行总线 采用点对点连接 每条单独通道（X1）有4GB/s带宽 PCI-E X16总线用于安装显示卡
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第二节 I/O控制方式
循环测试I/O方式
中断处理方式
DMA方式
通道方式
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1. 循环I/O测试方式
又称程序直接控制方式，它是一种由 用户程序直接控制的输入输出方式。 输入时：进程通过CPU发START命令启动 外设；进行状态测试；准备好，CPU读 取接口中数据，否则继续测试。 输出时：进程通过CPU发START命令启动 外设；进行状态测试；准备好，CPU向 接口中输出数据，否则继续测试。
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循环I/O测试方式流程图
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循环I/O测试方式的优缺点
优点： a.它的控制简单 缺点： a. CPU和外设只能串行工作； b. CPU在同一时间内只能和一台 外设交换数据;
CPU 通道 控制器 控制器 通道 控制器 控制器
A
B
C
D
E
F
G
HLeabharlann 19:28四、I/O通道
通道类型 1）、字节多路通道 字节多路通道可连接多个慢速 外围设备，如打印机。它以字节为 单位交叉地与外设进行数据交换。 当一台设备传送一个字节后，立即 转去为另一台设备传送一个字节。
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设备管理的基本功能
b. 缓冲区管理。
因CPU的处理速度往往要比外围设备 的速度高，因此系统在内存中都设立一些 缓冲区，使它们之间的工作协调起来。因 此需要设备管理程序实施缓冲区的建立分 配与释放。
缓冲区：临时存放数据的内存区域。
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设备管理的基本功能
c. 完成实际的I/O操作。
当系统把设备（控制器、通道）分配 给某一进程后，设备管理程序应首先根据 用户提出的I/O请求构成相应的通道程序 （或称 I/O程序），提供给通道去执行； 其次启动指定的设备进行I/O操作；最后， 对通道发来的中断请求作出及时响应和处 理。
第5 章
设备管理
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本章内容大纲
第一节
第二节
I/0系统
I/O控制方式
第三节
第四节 第五节 第六节
缓冲管理
I/O软件 设备分配 磁盘存储器的管理
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设备管理是指操作系统对除了CPU和 内存以外的所有输入/输出设备的管理， 诸如设备控制器、通道、中断控制器等 等。
控制器 运算器
b、字符设备：设备上传送的信息是以字符
为单位组织的，这样的设备称为字符设备。如： 键盘、打印机等。特点：无结构；不可寻址；I /O采用中断驱动方式。
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一、I/O设备分类
4、按设备的共享属性分类
a. 独享设备：是指在用户作业的整 个运行过程中为其独占的设备，以保 证传输信息的连贯性； b. 共享设备：是指允许若干个用户 作业可同时使用的设备； c. 虚拟设备：通过SPOOLING技术将 独占设备改造成能为若干个用户作业 共享的设备。
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第一节
I/O系统
顾名思义，I/O系统是用于实现数据 输入、输出及数据存储的系统。在I/O系 统中，除了需要直接用于I/O和存储信息 的设备外，还需要有相应的设备控制器 和高速总线。在有的大、中型计算机系 统中，还配备了I/O通道或I/O处理机。
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一、I/O设备分类
I/O设备的类型繁多，从OS观点看，其 重要的性能指标有: 设备使用特性、 数据传输速率、数据的传输单位、 设备共享属性等。因而可从不同角 度对它们进行分类。
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动画演示什么是SPOOLing技术
独占变成了共享
已被占用 申请独占设 备:打印机 申请独占设 备:打印机 我就是打 印机！
磁盘中的 某个文件
虚拟设备
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一、I/O设备分类
5、按设备所属关系分类
a. 系统设备：系统生成时已登 录在系统中的标准设备；
b. 用户设备：系统生成时未登 录在系统中的非标准设备。
出现的Pentium微机。
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五、总线系统
2) PCI(Peripheral Component Interface) 总 线